不溶性催化電極的制備及其對廢水中有機物、菌藻和纖維素類物質的催化降解作用.pdf

1、隨著世界各國的經濟發(fā)展、人口增加，環(huán)境污染、能源緊缺成為當前人類面臨的嚴重問題。電催化水處理技術由于具有清潔、無二次污染、氧化徹底等優(yōu)點而受到科學工作者的關注，成為解決環(huán)境污染、能源緊缺的新的途徑。電催化技術的核心在于功能電極材料的研制，高性能電極材料的研究成為電化學科學的前沿課題。目前應用最廣泛、性能較高的電極材料仍然是鈦基形穩(wěn)陽極，但是由于鈦金屬較為昂貴，限制了鈦基形穩(wěn)陽極在氯堿工業(yè)以外的其它行業(yè)的應用。本工作采用不銹鋼作為電極的基

2、體金屬，制備不銹鋼基不溶性催化陽極，并將其應用于廢水中有機物和菌藻的去除；并對鈦基形穩(wěn)陽極進行改性研究，將其應用于木質纖維素電催化降解。
　　 用溶膠-熱分解的方法制備了不銹鋼基SnO2-CeO2陽極，電極制備的優(yōu)化條件為：涂刷次數(shù)20次，烘干溫度100℃，熱氧化氣氛為空氣，溫度550℃，時間60min。經掃描電鏡表征，所制得的電極催化涂層呈現(xiàn)形穩(wěn)陽極特有的“泥裂”形貌。涂層無縱向貫穿的裂紋，與基體結合緊密。制備的SnO2-Ce

3、O2電極的溶膠及其熱分解生成的涂層均具有致密的結構，有效阻止空氣中的O2到達不銹鋼基體，防止制備過程中不銹鋼基體氧化腐蝕、保證了SnO2和SnO2-CeO2膜與基體緊密結合。循環(huán)伏安測試表明不銹鋼基SnO2-CeO2電極具有良好的電化學穩(wěn)定性，析氧電位高(1.6 V vs.SCE)，具有優(yōu)良的抗氧化能力。采用不銹鋼基SnO2-CeO2電極作為陽極，電催化氧化處理常規(guī)化學絮凝法處理效果較差的印染工業(yè)廢水，5 V電壓下，電催化2 min，色

4、度去除率達到92.8％，COD去除率達到58.2％，從而證明該電極具有優(yōu)異的電催化氧化性能。
　　 采用不銹鋼基SnO2-CeO2電極極作為陽極，不銹鋼電極作為陰極，對模擬抗生素廢水進行降解研究，結果表明降解效果顯著。在5V電壓下電催化氧化5min，COD去除率達到21.3％，氧化20min，去除率達到33.2％；確定最佳的電極間距為10mm。采用水楊酸作為羥基自由基的捕捉劑，驗證了電催化過程中有羥基自由基生成，并由此可以證明電

5、催化降解有機物主要是由于產生具有強氧化性的羥基自由基。且不銹鋼基SnO2-CeO2電極對青霉素的降解過程遵循表觀一級反應動力學規(guī)律。針對不銹鋼電極以及不銹鋼基涂層電極在電催化氧化降解有機物過程中出現(xiàn)的與降解效果密切相關的特征電位，開發(fā)了特征電位跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠有效追蹤特征電位，并通過信號輸出控制電催化電源的工作參數(shù)輸出，有效保證電催化反應始終處于最佳工作狀態(tài)。
　　 相同條件下添加三維粒子電極提高電催化降解對模擬抗生素廢水C

6、OD的去除率3.3至6.8個百分點。對作為三維粒子電極的活性炭進行飽和吸附-電催化氧化再生研究，結果表明電催化氧化對經吸附飽和的活性炭粒子再生效果顯著。3V電壓下僅電催化氧化3 min，活性炭再生率即達33％，電催化10min，再生率達到50％。而5V電壓下僅氧化3分鐘，再生率即達53％。而在5V電壓下，電催化氧化15 min，對于經12次吸附飽和并電催化再生的活性炭的再生率仍然達到78％。由此得出結論，用于電催化氧化反應的粒子電極，在

7、處理有機廢水的過程中，在持續(xù)的電場作用下，粒子電極表面及內部孔道能夠持續(xù)得以氧化再生。
　　 采用不銹鋼基SnO2-CeO2電極極作為陽極，不銹鋼電極作為陰極，對高濃度含菌廢水進行滅菌和去除鈣鎂離子研究。發(fā)現(xiàn)電催化氧化具有優(yōu)異的滅菌效果，在3V電壓下，電催化5min，滅菌率已達89.65％。并且滅菌率隨著電壓的升高而迅速提高，當電壓為5V時，電催化5min，滅菌率即達到99.17％。經過電催化滅菌的模擬循環(huán)冷卻水放置2天后細菌總

8、數(shù)仍保持在較低水平(小于原水1％)，放置4天細菌數(shù)仍未超過原水細菌數(shù)。電催化處理同時具有去除水中鈣鎂離子的功能，在3V下對總硬度為4mmol/L的模擬廢水進行電催化處理30min，總硬度去除率達到50.8％，去除效果顯著。
　　 制備鈦基SnO2-CeO2電極，并將其作為陽極和陰極材料，首次將電催化引入纖維素水解過程，利用電催化的氧化性能提高纖維素的水解產率，提高降解速率。為了便于木質纖維素的溶解，提高木質纖維素的降解效果，采用

9、兩步酸法，即先將木質纖維素進行濃酸水解，之后再稀釋進行電催化稀酸水解。木質紙纖維在濃酸水解最佳的反應溫度為50℃，反應時間15min，液固比2:1為最佳液固比。稀酸條件下電催化降解纖維素最佳硫酸濃度為3％，電壓4V，反應時間為60min。在此條件下獲得的還原糖得率為51.7％，已超過直接水解2h的得率。木質纖維素在水解前后的SEM和XRD測試表明電催化能夠有效破壞木質纖維素的晶體結構，有效提高木質纖維素的水解速度和還原糖得率。
　

10、　 設計并制作單臺處理能力為40m3/d的電催化廢水處理反應器，并將其應用于電催化降解印染廢水中試現(xiàn)場處理研究，對于COD值在200mg/L以下的經過生化處理的印染廢水尾水，僅處理5min，廢水的COD即可達到國家一級排放標準(＜100mg/L)，噸水能耗僅為0.9KW·h～1.3KW·h；對于COD值大于2000mg/L的未經生化處理的印染廢水原水和化工廢水，處理5min，COD去除率達到35％以上，顯示了較高的去處效率，能量消耗低